Según Grant et al. (2017), las especies sudamericanas Oophaga histrionica, O. lehmanni y O. sylvatica forman un linaje estrechamente relacionado. En contraste, Santos et al. (2009, 2014), Pyron y Wiens (2011) y Pyron (2014) encontraron que O. histrionica o el grupo O. lehmanni + O. sylvatica están más cercanamente relacionados con un clado de especies centroamericanas que con otras especies sudamericanas. Oophaga sylvatica presenta uno de los patrones de diversificación más espectaculares en toda su distribución. Roland et al. (2017) estudiaron el patrón filogeográfico entre poblaciones con coloración divergente analizando la estructura poblacional y diferenciación genética para evaluar qué procesos podrían explicar la diversidad de color dentro y entre poblaciones. Con una combinación de amplicones por PCR (tres marcadores mitocondriales y tres nucleares) y marcadores genómicos obtenidos mediante la técnica ddRAD, caracterizaron la estructura genética y filogenética de 199 individuos de 13 poblaciones (12 monomórficas y 1 polimórfica) a lo largo de la distribución de O. sylvatica. Los individuos se agruparon en dos linajes principales, norte y sur, separados por la cuenca del río Santiago, en la provincia de Esmeraldas, Ecuador. Un alto nivel de polimorfismo genético y fenotípico dentro del linaje norte sugiere flujo génico continuo. En contraste, bajos niveles de diferenciación genética entre las poblaciones del linaje sur apoyan expansiones recientes desde poblaciones del norte. Esta baja variación genética, junto con alta diversidad fenotípica entre poblaciones geográficamente distantes, sugiere que el clado sur probablemente experimentó una rápida radiación en los últimos 2.1–2.5 millones de años. Se propuso que una combinación de gradientes climáticos y paisajes estructurados podría estar promoviendo el flujo génico y la diversificación filogenética. Alternativamente, la variación observada podría ser producto de deriva genética en pocos genes casi neutros. Existe una población altamente polimórfica (Otokiki), que ofrece una oportunidad única para probar hipótesis sobre presiones selectivas que modelan rasgos aposemáticos. Esta población podría haberse originado por flujo génico entre poblaciones fenotípicamente divergentes en zonas de contacto secundario o por expansión desde Otokiki hacia las regiones circundantes. Las poblaciones ecuatorianas de Oophaga sylvatica son tóxicas y contienen alcaloides dérmicos. Myers y Daly (1976b) hallaron varios alcaloides mediante cromatografía de gases en 10 ejemplares de Río Baba y el Centro Científico Río Palenque, provincia de Los Ríos, Ecuador. Estos incluyeron histrionicotoxinas (283A, 285A, 285C, 291A, 285B, 287B), quinolizidinas 1,4-disustituidas (219B, 231A), indolizidinas 5,8-disustituidas (207A, 223D), indolizidinas 5,6,8-trisustituidas (231B, 223C, 237C), pumiliotoxinas (237A), izidina (239F) y decahidroquinolinas (269AB). Una caracterización más reciente de alcaloides y dieta fue realizada por McGugan et al. (2016) en Felfa, Cristóbal Colón y Bolívar, provincia de Esmeraldas. Incluyeron histrionicotoxinas (285A), indolizidinas 3,5-disustituidas (275C), 5,8-disustituidas (203A, 207A, 219F, 231C, 247E, 245C), decahidroquinolinas (195B, 223F), indolizidinas 5,6,8-trisustituidas (209C), lehmizidinas (275A, 277A) e izidina (239F). La composición de alcaloides dérmicos varía a lo largo de un gradiente geográfico y sigue la distribución de las poblaciones. La diversidad de artrópodos aislados del contenido estomacal confirmó que O. sylvatica se especializa en consumir hormigas y ácaros. Se encontraron 45 especies de hormigas y nueve de ácaros en los estómagos. Los perfiles químicos de las presas consumidas se agrupan por población de rana, lo que sugiere que diferentes poblaciones acceden a presas químicamente distintas. Muchos de estos alcaloides parecen ser secuestrados de hormigas consumidas (e.g., Crematogaster, Pheidole, Solenopsis, Wasmannia, Octostruma, Gnamptogenys, Cyphomyrmex y Sericomyrmex). Al comparar los perfiles químicos dérmicos con los de las presas, se rastreó el origen de cuatro alcaloides, incluyendo indolizidinas 3,5- y 5,8-disustituidas y un lehmizidina. Alvarez-Buylla et al. (2023) descubrieron una proteína novel de unión a alcaloides en el plasma de esta especie, miembro de la superfamilia de serpinas, que podría explicar cómo los animales secuestran diversos alcaloides. Esta globulina transportadora de alcaloides (ABG) capta toxinas desde la sangre o intestinos y las transporta hacia la piel como defensa química. Moskowitz et al. (2020) estudiaron defensas químicas, dieta y diversidad de hormigas de hojarasca en bosque secundario y pastizal. Hallaron que las comunidades de hormigas difieren significativamente entre hábitats. También, ranas de bosque y de pastizal difieren en dieta y perfiles de alcaloides, siendo que las primeras contienen más alcaloides específicos y consumen más hormigas en número y volumen. Las ranas consumen solo un subconjunto de las hormigas disponibles. Se halló que un alcaloide (223H) presente en hormigas de sitios perturbados también está en pieles de ranas de pastizal. Estos hallazgos vinculan el uso del suelo con las defensas químicas de dendrobátidos, con implicaciones para la conservación. Moskowitz et al. (2022) encontraron que dieta y alcaloides dérmicos varían entre localidades. De forma inesperada, hallaron una correlación negativa entre la cantidad total de alcaloides dérmicos y el número de hormigas y ácaros consumidos. Compararon hormigas de hojarasca con contenido estomacal y hallaron que solo el 13% de las hormigas recolectadas pertenecen a los 16 géneros consumidos. Esto sugiere que la adquisición de defensas depende tanto de la disponibilidad ambiental como de elecciones alimenticias informadas por preferencias. Fischer et al. (2019b) identificaron el pallium medial y el área preóptica como regiones cerebrales claves en el cuidado parental uniparental materno de esta especie y de otras dendrobátidas con estrategias de cuidado paterno y biparental monógamas. La activación neuronal durante el cuidado confirmó un rol para neuropéptidos asociados con la crianza. Fischer et al. (2019a) compararon en campo O. sylvatica en Ecuador y Mantella laevigata en Madagascar para explorar si la convergencia conductual proporciona beneficios similares a la descendencia. Ambas especies muestran cuidado tipo amamantamiento, facilitando la transmisión de defensas químicas a renacuajos. A nivel neuronal, este comportamiento se asoció con actividad en el septum lateral y el área preóptica, aunque solo los mantélidos mostraron actividad aumentada en neuronas de oxitocina, sugiriendo caminos evolutivos moleculares divergentes. Pašukonis et al. (2022) analizaron diferencias de sexo en estrategias reproductivas, comportamiento espacial y niveles de andrógenos en esta especie. Hallaron que las hembras cuidadoras tienen movimientos más amplios. Al translocar ranas para evaluar su orientación, ambos sexos mostraron similar desempeño, aunque los machos fueron más exploratorios. El comportamiento exploratorio y precisión de retorno se correlacionaron con niveles de andrógenos. Las estrategias reproductivas moldean el uso del espacio, pero no necesariamente el rendimiento de navegación.

La piel del dorso es lisa. El extremo distal del hocico es truncado, casi vertical en perfil. El canthus rostralis es indistinto; la región loreal es vertical, ligeramente o nada cóncava. El tímpano es indistinto, de tamaño equivalente a aproximadamente la mitad de la parte expuesta del ojo. El Dedo I alcanza la base del disco del Dedo II. Los anchos de los discos de los Dedos II, III y IV son aproximadamente iguales y equivalen al doble del ancho de sus respectivos dedos; el disco del Dedo I es más angosto, de aproximadamente una vez y media el ancho de su dedo. Los dedos carecen de membranas interdigitales. Hay un solo tubérculo palmar ovalado; los tubérculos subarticulares son fácilmente visibles, pero no están fuertemente desarrollados. El disco del Dedo I del pie es apenas más ancho que el dedo; los discos de los otros dedos son notablemente más anchos que los dedos. Los tubérculos subarticulares son fácilmente visibles, pero no fuertemente desarrollados. Hay un tubérculo metatarsal externo redondo y uno interno elíptico; el tubérculo tarsal es indistinto. El omosternón es pequeño. El dimorfismo sexual no es evidente a menos que el saco vocal del macho esté inflado.

Esta descripción se basa en un individuo capturado en estado silvestre en Durango, provincia de Esmeraldas, Ecuador, en el estadio 29 (QCAZ 30225). Fue recolectado por Ítalo G. Tapia y Andrés Merino-Viteri el 17 de marzo de 2004. El cuerpo es ovoide, con un ancho aproximadamente constante a lo largo de su longitud, y más ancho que profundo. El hocico es redondeado tanto en vista dorsal como en perfil lateral. Los ojos están dirigidos dorsolateralmente. El espiráculo es poco visible. El disco oral, pequeño, se ubica en posición anteroventral, con papilas marginales, salvo por una amplia abertura anterior. El tubo ventral es medial. Las vainas mandibulares están completamente queratinizadas. La cola comprende el 64% de la longitud total y mantiene una profundidad casi constante a lo largo de su longitud, salvo en el tercio distal, donde termina en un extremo redondeado. La aleta dorsal se inicia en los dos tercios posteriores de la cola y mantiene una profundidad equivalente a lo largo de su recorrido. Dorsal, lateral y ventralmente, el renacuajo presenta una coloración marrón oscuro casi uniforme. Ventralmente, los intestinos y otros órganos son ligeramente visibles. La musculatura caudal comparte la coloración marrón de la piel del dorso, pero es menos densa en la mitad distal y en la parte ventral de la cola. Los ojos son negros.